巖土工程指導(dǎo)波速系統(tǒng)測(cè)試

巖土工程指導(dǎo)波速系統(tǒng)測(cè)試2第5章內(nèi)容試驗(yàn)設(shè)備和方法基本測(cè)試原理試驗(yàn)成果的整理分析試驗(yàn)成果的應(yīng)用討論35.1試驗(yàn)設(shè)備和方法一、試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備一般包含激振系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)（傳感器）和信號(hào)處理系統(tǒng)。測(cè)試方法不同，使用的儀器設(shè)備也各不相同。二、測(cè)試方法由于土中的縱波速度受到含水量的影響，不能真實(shí)地反映土的動(dòng)力特性，故通常測(cè)試土中的剪切波速，測(cè)試的方法有單孔法（檢層法）、跨孔法以及面波法（瑞利波法）等。4

1.單孔法單孔法是在一個(gè)鉆孔中分土層進(jìn)行檢測(cè)，故又稱(chēng)檢層法，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)鉆孔，方法簡(jiǎn)便，在實(shí)測(cè)中用得較多，但精度低于跨孔法。單孔法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖5-1所示。5對(duì)準(zhǔn)備工作的要求：（1）鉆孔時(shí)應(yīng)注意保持井孔垂直，并宜用泥漿護(hù)壁或下套管，套管壁與孔壁應(yīng)緊密接觸；（2）當(dāng)剪切波振源采用錘擊上壓重物的木板時(shí)，木板的長(zhǎng)向中垂線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試孔中心，孔口與木板的距離宜為1~3m；板上所壓重物宜大于400kg；木板與地面應(yīng)緊密接觸；（3）當(dāng)壓縮波振源采用錘擊金屬板時(shí)，金屬板距孔口的距離宜為1~3m；（4）應(yīng)檢查三分量檢波器各道的一致性和絕緣性。測(cè)試工作要求：（1）測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程情況及地質(zhì)分層，每隔1~3m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，并宜自下而上按預(yù)定深度進(jìn)行測(cè)試；（2）剪切波測(cè)試時(shí)，傳感器應(yīng)設(shè)置在測(cè)試孔內(nèi)預(yù)定深度處并予以固定；沿木板縱軸方向分別打擊其兩端，可記錄極性相反的兩組剪切波波形；6（3）壓縮波測(cè)試時(shí)，可錘擊金屬板，當(dāng)激振能量不足時(shí)，可采用落錘或爆炸產(chǎn)生壓縮波。測(cè)試工作結(jié)束后，應(yīng)選擇部分測(cè)點(diǎn)作重復(fù)觀測(cè)，其數(shù)量不應(yīng)少于測(cè)點(diǎn)總數(shù)的10%。

2.跨孔法跨孔法有雙孔和三孔等距方法，以三孔等距法用得較多?？缈追y(cè)試精度高，可以達(dá)到較深的測(cè)試深度，因而應(yīng)用也比較普遍，但該法成本高，操作也比較復(fù)雜。三孔法是在測(cè)試場(chǎng)地上鉆三個(gè)具有一定間隔的測(cè)試孔，選擇其中的一個(gè)孔為振源孔，另外兩個(gè)相鄰的鉆孔內(nèi)放置接收檢波器，如圖5-2。78跨孔法的測(cè)試場(chǎng)地宜平坦，測(cè)試孔宜布置在一條直線上。測(cè)試孔的間距在土層中宜取2~5m，在巖層中宜取8~15m；測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程情況及地質(zhì)分層，沿深度方向每隔1~2m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。鉆孔時(shí)應(yīng)注意保持井孔垂直，并宜用泥漿護(hù)壁或下套管，套管壁與孔壁應(yīng)緊密接觸。測(cè)試時(shí)，振源與接收孔內(nèi)的傳感器應(yīng)設(shè)置在同一水平面。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法：（1）當(dāng)振源采用剪切波錘時(shí)，宜采用一次成孔法；（2）當(dāng)振源采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)裝置時(shí)，宜采用分段測(cè)試法。當(dāng)測(cè)試深度大于15m時(shí)，必須對(duì)所有測(cè)試孔進(jìn)行傾斜度及傾斜方位的測(cè)試；測(cè)點(diǎn)間距不應(yīng)大于1m。當(dāng)采用一次成孔法測(cè)試時(shí)，測(cè)試工作結(jié)束后，應(yīng)選擇部分測(cè)點(diǎn)作重復(fù)觀測(cè)，其數(shù)量不應(yīng)少于測(cè)點(diǎn)總數(shù)的10%；也可采用振源孔和接收孔互換的方法進(jìn)行復(fù)測(cè)。91011

3.面波法瑞利波是在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，其能量從介質(zhì)表面以指數(shù)規(guī)律沿深度衰減，大部份在一個(gè)波長(zhǎng)的厚度內(nèi)通過(guò)，因此在地表測(cè)得的面波波速反映了該深度范圍內(nèi)土的性質(zhì)，而用不同的測(cè)試頻率就可以獲得不同深度土層的動(dòng)參數(shù)。面波法有兩類(lèi)測(cè)試方式，一是從頻率域特性出發(fā)，通過(guò)變化激振頻率進(jìn)行量測(cè)稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)法；另一種從時(shí)間域特性出發(fā)，瞬態(tài)激發(fā)采集寬頻面波，這種方法操作容易，但是資料處理復(fù)雜。本章僅介紹穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是利用穩(wěn)態(tài)振源在地表施加一個(gè)頻率為f的強(qiáng)迫振動(dòng)，其能量以地震波的形式向周?chē)鷶U(kuò)散，這樣在振源的周?chē)鷮a(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的正弦波振動(dòng)。通過(guò)設(shè)置在地面上的兩個(gè)檢波器A和B檢出輸入波的波峰之間的時(shí)間差，便可算出瑞利波速度VR。12測(cè)試設(shè)備由激振系統(tǒng)和拾振系統(tǒng)組成。激振系統(tǒng)一般多采用電磁式激振器。系統(tǒng)工作時(shí)由信號(hào)發(fā)生器輸出一定頻率的電信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后輸入電磁激振器線圈，使其產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)。拾振系統(tǒng)由檢波器、放大器、雙線示波儀及計(jì)算機(jī)四部份組成。檢波器接收振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)放大器放大，由雙線示波儀顯示并被記錄。整個(gè)過(guò)程由計(jì)算機(jī)操作控制。面波法不需要鉆孔，不破壞地表結(jié)構(gòu)物，成本低而效率高，是一種很有前途的測(cè)試方法。測(cè)試工作可按下述方法進(jìn)行：（1）激振設(shè)備宜采用機(jī)械式或電磁式激振器；（2）在振源的同一側(cè)放置兩臺(tái)間距為l的豎向傳感器，接收由振源產(chǎn)生的瑞利波信號(hào)；13（3）改變激振頻率，測(cè)試不同深度處土層的瑞利波波速；（4）電磁式激振設(shè)備可采用單一正弦波信號(hào)或合成正弦波信號(hào)。因?yàn)槿鹄ㄔ诎霟o(wú)限空間中是在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳播的。低頻激振時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，可測(cè)出深層瑞利波速度。由低向高逐漸改變激振頻率，波長(zhǎng)由長(zhǎng)變短，探測(cè)深度由深變淺，從而得出不同深度的彈性常數(shù)。測(cè)試過(guò)程中要注意如下幾點(diǎn)：（1）A、B檢波器的距離一定要小于1個(gè)波長(zhǎng)的距離。這是因?yàn)?，如果設(shè)置的距離過(guò)大，就可能會(huì)出現(xiàn)相位差的誤判。但檢波器間的間距又不應(yīng)太小，否則會(huì)影響相位差的計(jì)算精度；（2）為提高確定相位差的精度，應(yīng)盡量選取小的采樣間隔；（3）為保證波峰的可靠對(duì)比和壓制干擾波，需要時(shí)可將正弦激振波加以調(diào)制；14（4）根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整頻率變化速率（步長(zhǎng)），一般儀器中都設(shè)置了頻率自動(dòng)降低設(shè)備，可以任意選擇，但步長(zhǎng)太小，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)；步長(zhǎng)太大，又會(huì)影響觀測(cè)精度。

155.2

基本測(cè)試原理彈性波速法以彈性理論為依據(jù)，通過(guò)對(duì)巖土體中彈性波（速度、振幅、頻率等）的測(cè)量，提出巖土體的動(dòng)力參數(shù)并評(píng)價(jià)巖土體的工程性質(zhì)。一般而言，介質(zhì)的質(zhì)量密度越高、結(jié)構(gòu)越均勻、彈性模量越大，則彈性波在該介質(zhì)中的傳播速度也越高，同時(shí)我們又知道該介質(zhì)的力學(xué)特性也越好。故彈性波的傳播速度在通常的情況下能反映材料的力學(xué)和工程性質(zhì)。根據(jù)彈性理論，當(dāng)介質(zhì)受到動(dòng)荷載的作用時(shí)將引起介質(zhì)的動(dòng)應(yīng)變，并以縱波、橫波和面波等形式從振源向外傳播。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力不超過(guò)介質(zhì)的彈性界限時(shí)所產(chǎn)生的波稱(chēng)為彈性波。巖土體在一定條件下可視為彈性體，依據(jù)牛頓定律可導(dǎo)出彈性波在無(wú)限均質(zhì)體中的運(yùn)動(dòng)方程。相應(yīng)的波速為：16（5-1）（5-2）引入拉梅常數(shù)、M，（5-3）（5-4）（5-1）和（5-2）可以寫(xiě)為下列簡(jiǎn)潔的形式：（5-5）（5-6）17如果測(cè)試出了巖土體中的彈性波波速，可以由上列公式推出巖土體的動(dòng)彈性模量Ed、動(dòng)剪切模量Gd和動(dòng)泊桑比

如下：

kPa（5-7）

kPa（5-8）（5-9）式中m——波速比，m=vP/vs。185.3

試驗(yàn)成果的整理分析

1.單孔法確定壓縮波或剪切波從振源到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）確定壓縮波的時(shí)間，應(yīng)采用豎向傳感器記錄的波形；（2）確定剪切波的時(shí)間，應(yīng)采用水平傳感器記錄的波形。由于三分量檢波器中有兩個(gè)水平檢波器，可得到兩張水平分量記錄，應(yīng)選最佳接收的記錄進(jìn)行整理。壓縮波或剪切波從振源到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，應(yīng)按下列公式進(jìn)行斜距校正：T=KTL

（5-10）（5-11）19時(shí)距曲線圖的繪制，應(yīng)以深度H為縱坐標(biāo)，時(shí)間T為橫坐標(biāo)。波速層的劃分，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況，按時(shí)距曲線上具有不同斜率的折線段確定。每一波速層的壓縮波波速或剪切波波速，應(yīng)按下式計(jì)算：（5-12）

2.跨孔法確定壓縮波或剪切波從振源到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）確定壓縮波的時(shí)間，應(yīng)采用豎向傳感器記錄的波形；（2）確定剪切波的時(shí)間，應(yīng)采用水平傳感器記錄的波形。由振源到達(dá)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離，應(yīng)按測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。每個(gè)測(cè)試深度的壓縮波波速及剪切波波速，應(yīng)按下列公式計(jì)算2021（5-13）（5-14）S=S2-S1

（5-15）

3.面波法瑞利波波速應(yīng)按下式計(jì)算：（5-16）地基的動(dòng)剪變模量和動(dòng)彈性模量，應(yīng)按下列公式計(jì)算：（5-17）（5-18）22（5-19）（5-20）23討論

1．理解動(dòng)力觸探試驗(yàn)的工作機(jī)理。2．何為有效錘擊能量？3．動(dòng)力觸探有那幾種類(lèi)型？各